MAANVASTAISTEN ALAPOHJARAKENTEIDEN KOSTEUSTEKNINEN TOIMIVUUS
T a m p e r e 2 0 0 2
R a k e n n u s t e k n i i k a n o s a s t o
Virpi Leivo - Jukka Rantala
KORKEAKOULU TALONRAKENNUSTEKNIIKKA
TALONRAKENNUSTEKNIIKKA KORKEAKOULU
Virpi Leivo – Jukka Rantala
MAANVASTAISTEN ALAPOHJARAKENTEIDEN KOSTEUSTEKNINEN TOIMIVUUS
UDK 699.82 692.51
ISBN 952-15-0938-4 (nid.) ISBN 978-952-15-2753-1 (PDF) ISSN 1237-1483
Rakennustekniikan osasto Tampere 2002
ALKUSANAT
Julkaisu Alapohjarakenteiden kosteuskäyttäytyminen on laadittu Tampereen teknillisen korkeakoulun Rakennustekniikan osaston Talonrakennustekniikan ja Pohja- ja maarakenteiden laboratorioissa professori Ralf Lindbergin ja professori Jorma Hartikaisen johdolla. Julkaisu on tutkimushankekokonaisuuden Alapohjarakenteiden kosteuskäyttäytyminen toisen tutkimusvaiheen loppuraportti. Julkaisun ovat kirjoittaneet erikoistutkija Jukka Rantala ja tutkija Virpi Leivo. Tutkimuksen rahoittajina ovat olleet Teknologian kehittämiskeskus TEKES sekä Lohja Rudus Oy, NCC Finland Oy, Rautaruukki Oyj, Helsingin kaupungin Geotekninen osasto ja HKR- Rakennuttajat, Turun kaupungin Tilalaitos sekä Tampereen kaupungin Tilakeskus ja Rakennusvalvonta.
Tutkimuksen johtoryhmätyöskentelyyn ovat osallistuneet:
Pentti Lumme Lohja Rudus Oy, johtoryhmän puheenjohtaja Anssi Suomalainen NCC Finland Oy
Osmo Korhonen Helsingin kaupungin Geotekninen osasto Kirsi Torikka HKR-Rakennuttajat
Jouko Lehtonen Rautaruukki Oyj Hannu Jokiniemi Rautaruukki Oyj
Reima Johansson Turun kaupungin Tilalaitos Jarmo Love Turun kaupungin Tilalaitos
Kalevi Lammi Tampereen kaupungin Rakennusvalvonta Mats Lindgren Linterm Oy
Björn Lindgren Linterm Oy Raimo Ahveninen Lohja Rudus Oy Ari-Veikko Kettunen Humi-Consulting Oy Harri Mäkelä Innogeo Oy
Lasse Pöyhönen TEKES
Ralf Lindberg Tampereen teknillinen korkeakoulu Jorma Hartikainen Tampereen teknillinen korkeakoulu Pauli Kolisoja Tampereen teknillinen korkeakoulu
Jukka Rantala Tampereen teknillinen korkeakoulu
Virpi Leivo Tampereen teknillinen korkeakoulu, sihteeri.
Kiitämme rahoittajia ja kaikkia projektiin osallistuneita heidän työpanoksestaan.
Tampereella 15.12.2002 Kirjoittajat
TIIVISTELMÄ
Maanvastaisten alapohjarakenteiden lämpö- ja kosteusolosuhteet poikkeavat rakennusvaipan muiden osien toiminnasta. Alapohja on rakenteena kosketuksissa lämpimien ja kosteiden täyttö- tai pohjamaakerrosten kanssa. Alapohjaa ympäröivissä tavanomaisissa olosuhteissa täyttö- tai pohjamaa muodostuu lähes aina kosteuslähteeksi yläpuolisille rakenteilla. Kosteuden sitoutumis- ja siirtymismekanismit ja etenkin siirtyvän kosteuden määrät riippuvat rakenteeseen muodostuvasta lämpötilakentästä ja tästä syystä lämpötilaan ja kosteuteen liittyviä ilmiöitä tulee tarkastella yhdessä.
Täyttökerrokset ovat joko suoraan tai välillisesti yhteydessä maapohjan suuriin vesivarastoihin, pohja- tai orsivesiesiintymiin ja vajovesikerroksiin. Hienoaineksia sisältävä karkearakeinen maakerros pystyy kapillaarivoimien avulla kuljettamaan suuria määriä vettä näistä lähteistä paitsi ylöspäin, myös vaakasuunnassa. Vajovesikerroksesta vaakasuunnassa etenevän kapillaaririntaman etenemänopeus 2 lk salaojasoran vaatimukset täyttävässä materiaalissa on noin 30 cm tunnissa ja rintamassa kulkeutuva vesimäärä jopa 150 kg/m3. Veden kapillaarien kulkeutuminen alapohjarakenteisiin liittyvissä maakerroksissa tuleekin aina estää karkearakeisella ja riittävän paksulla veden kapillaarisen liikkeen katkaisevalla kerroksella. Täyttökerrosten huokosilman suhteellinen kosteus on käytännössä aina lähellä kyllästyspitoisuutta RH = 100 %, johtuen massan huokosrakenteen yhteydestä vesilähteisiin sekä vajo- ja kapillaarivesien kulkeutumisesta maakerroksissa. Lämmitetyissä rakennuksissa täyttökerrosten lämpötila on noin +15…+17°C -astetta riippuen käytetystä eristepaksuudesta ja sisälämpötilasta. Täyttökerrosten lämpötilakäyttäytyminen noudattaa melko tarkasti yläpuolisten tilojen ja laatan lämpötilamuutoksia, eikä ulkolämpötilojen vuodenaikaisvaihtelulla ole juurikaan vaikutusta täyttökerrosten lämpötiloihin.
Alapohjan, kuten kaikkien rakennuksen ulkovaipan osien yli muodostuu lämpötila- ja kosteusero, joka pyrkii tasaantumaan virtauksena rakenteen läpi. Lämpimän ja kostean täyttökerroksen (Tt ≈ +16°C, RHt ≈ 100 %) huokosilman vesihöyrypitoisuus on suurempi kuin tavallisen huoneilman vesihöyrypitoisuus (Ts ≈ +20°, Rhs = 20...40%).
Tästä syystä alapohjarakenteen diffuusiovirta kulkee lähes poikkeuksetta pohjamaasta ylöspäin kohti kuivempaa huoneilmaa, jolloin rakenteeseen tiivistyvän kosteuden tai jonkin materiaalikerroksen kriittisen kosteuden ylittymisen riski kasvaa. Useissa tapauksissa alapohjarakenteen kriittisin kohta on pinnoitteen alapinta, mikäli käytetty pinnoitemateriaali on liian tiivis.
Maanvastaisten alapohjarakenteiden kosteusteknisessä suunnittelussa tulee tarkastella kolmea tilannetta:
1. Rakenteen kuivumisvaihe, jolloin rakennuskosteuden on päästävä kuivumaan valetusta laatasta joko pohjamaahan tai huoneilmaan. Tällöin rakenne itsessään toimii kosteuslähteenä.
2. Käyttötila, jolloin lämmin ja kostea pohjamaa ja täyttökerrokset toimivat kosteuslähteenä yläpuoliselle lattiarakenteelle. Rakenteen suhteellisen kosteuden nousu ja tiivistymisriski tulee ottaa huomioon kosteusteknisissä tarkasteluissa ja rakenteen on pystyttävä haihduttamaan maasta nouseva kosteus.
3. Vauriotilanteessa (esim. putkivuoto) kosteuslähde on rakenteen sisällä ja rakenteeseen päässeen ylimääräisen veden on päästävä poistumaan joka pohjamaahan tai huoneilmaan.
SISÄLLYSLUETTELO
ALKUSANAT ... 1
TIIVISTELMÄ ... 2
SISÄLLYSLUETTELO... 3
1 JOHDANTO ... 5
2 MAANVASTAISTEN ALAPOHJARAKENTEIDEN LÄMPÖ- JA KOSTEUSOLOSUHTEET... 6
2.1 Ulkoiset kosteus- ja lämpötilarasitukset ...6
2.1.1 Ulkoilman lämpötila ja kosteus...6
2.1.2 Sisäilman lämpötila ja kosteus...6
2.1.3 Maan lämpötila ja kosteus...9
2.2 Sisäiset kosteus- ja lämpötilarasitukset...10
3 HUOKOISEN MATERIAALIN LÄMPÖ- JA KOSTEUSTASAPAINO ... 13
3.1 Veden sitoutuminen ...13
3.1.1 Hygroskooppinen sitoutuminen ...13
3.1.2 Kapillaarinen sitoutuminen ...14
3.1.3 Kemiallinen ja osmoottinen sitoutuminen ...16
3.2 Veden siirtymismuotoja eri faaseissa...16
3.2.1 Diffuusio ...16
3.2.2 Kapillaarinen kosteuden siirtyminen...17
3.2.3 Yhtäaikainen diffuusio ja kapillaarinen liike ...18
3.2.4 Veden painovoimainen siirtyminen ...18
3.2.5 Haihtuminen ja kosteuskonvektio...19
3.3 Maan ominaislämpökapasiteetti ja lämmönjohtavuus ...19
3.3.1 Maan ominaislämpökapasiteetti...19
3.3.2 Maan lämmönjohtavuus...21
3.4 Maanvastaisen alapohjarakenteen alapuolisen maan kosteusolosuhteet...21
3.4.1 Täyttö- ja salaojitusmateriaalien vesipitoisuus ...21
3.4.2 Alapohjarakenteiden läpi tuleva kosteus...27
3.4.3 Rakenteiden läpi tuleva kapillaarinen kosteus ...27
3.4.4 Alapohjarakenteen läpi diffuusiolla tuleva kosteus ...28
4 MAANVASTAISTEN ALAPOHJARAKENTEIDEN KOSTEUS- JA LÄMPÖKÄYTTÄYTYMINEN... 30
4.1 Maanvarainen alapohja stationääritilassa...30
4.1.1 Betonilaatan ja pinnoitteen vesihöyrynläpäisevyyden vaikutus alapohjarakenteen kosteustasapainoon...32
4.1.2 Sisäilman suhteellisen kosteuden ja pinnoitteen vesihöyrynläpäisevyyden vaikutus alapohjarakenteen kosteustasapainoon...35
4.1.3 Eristemateriaalin ja pinnoitteen vesihöyrynläpäisevyyden vaikutus alapohjarakenteen kosteustasapainoon...40
4.2 Tuuletettu maanvastainen alapohja stationääritilassa ...43
4.2.1 Tuuletettu lattiarakenne...43
4.2.2 Tuuletetun lattiarakenteen mitoitusperiaatteet ...45
5 SEURANTAMITTAUKSET... 49
5.1 Omakotitalo Järvenpää...49
5.1.1 Instrumentoinnit ...51
5.1.1 Seurantamittausten tulokset ...55
5.2 Rivitalo Pappila... 60
5.1.2 Instrumentoinnit... 62
5.2.3 Seurantamittausten tulokset ... 63
5.3 Toimistorakennus Hervanta ... 69
5.3.1 Instrumentoinnit... 71
5.3.2 Seurantamittausten tulokset ... 73
5.4 Seurantamittausten tarkastelu ... 77
5.4.1 Mittaustarkkuuden arviointi... 77
5.4.2 Tulosten tarkastelu ... 78
6 ALAPOHJARAKENTEIDEN KOSTEUS- JA HOMEVAURIOT SUOMESSA 88 6.1 Maanvaraisten alapohjarakenteiden vauriotapaukset... 88
6.1.1 Maanvaraisten alapohjarakenteiden kosteusvaurioiden luokittelu ... 88
6.1.2 Tutkitut vauriotapaukset ... 89
6.1.3 Vauriotapausten analysointi... 89
7 ALAPOHJARAKENTEITA SUOMESSA SÄÄTELEVÄT NORMIT JA OHJEET 91 7.1 Rakennusmääräyskokoelman osa C2 (Kosteus. Määräykset ja ohjeet 1998.) 91 7.2 Rakennusten veden- ja kosteudeneristysohjeet RIL 107-2000 ... 91
7.3 Pohjarakennusohjeet RIL 121-1988... 92
7.4 Rakennusten ja tonttialueiden kuivatus RIL 126-1979... 92
7.5 RT-kortiston mallit... 93
7.6 Muiden ohjeistojen maanvaraisia lattiarakenteita käsittelevät ohjeet... 94
8 MAANVASTAISILLE ALAPOHJARAKENTEILLE ASETETTAVAT KOSTEUSTEKNISET VAATIMUKSET... 95
8.1 Rakenteellinen toimivuus... 95
8.1.1 Lämpö- ja kosteusteknisen mitoituksen reunaehdot ... 95
8.1.2 Rakenteen lämpötila- ja kosteusolosuhteet eri rakennusvaiheissa... 96
8.1.3 Rakenteille sallitut kosteusolosuhteet ... 97
8.2 Lämmöneristävyys... 98
8.3 Höyrynsulku... 99
8.4 Pinnoitteen vesihöyrynläpäisevyys... 99
8.5 Tuuletetun alapohjarakenteen ilmanvaihto ... 101
LÄHDELUETTELO... 105
LIITTEET ... 107
1 JOHDANTO
Tämä tutkimus on osa Tampereen teknillisen korkeakoulun Talonrakennustekniikan ja Pohja- ja maarakennustekniikan laboratorioissa vuosina 1999 – 2002 tehtyä tutkimussarjaa, jonka tarkoituksena oli selvittää alapohjarakenteiden lämpö- ja kosteusteknistä toimintaa yhdessä liittyvien tavanomaisten täyttö- ja salaojakerrosten kanssa sekä määritellä pohjamaan maanvastaisille alapohjarakenteille aiheuttamaa kosteusrasitusta.
Tutkimuksen taustalla ovat lukuisat maanvastaisissa alapohjissa havaitut kosteusvauriot, joita KTM:n tutkimuksen mukaan on löydetty jopa 25 % kerros- ja pientaloista.
Kuntaliiton tutkimuksessa mukaan toimisto-, opetus- ja terveydenhoitorakennuksissa kosteus- ja homevaurioiden tärkeimmät kosteuden lähteet ovat sade, lumi, katto- ja valumavedet (40%) sekä maakosteus (29%) ja eniten vaurioita on alapohjissa (26%) ja vesikatossa (26%) sekä sokkeleissa (14%).
Vaurioita tutkittaessa on käynyt selvästi ilmi, että alapohjarakenteet eivät kosteus- ja lämpöteknisesti toimi suunnitellulla tavalla. Alapohjarakenteiden ympäristöolosuhteissa tapahtuvia muutoksia ei juurikaan oteta huomioon, mikäli alapohjien kosteusteknistä suunnittelua tehdään lainkaan. Massiivisten betonilaattojen rakennuskosteuden hidas kuivuminen, muutokset sisäilman lämpö- ja kosteusolosuhteissa sekä lämmitetyn rakennuksen aiheuttama maapohjan lämpeneminen voivat aiheuttaa yllättäviä muutoksia alapohjan kosteustoiminnassa, mikäli alapohjarakenteita ei ole kosteusteknisesti oikein suunniteltu.
Kosteuden kulkeutumismekanismit alapohjarakenteissa ja niiden läpi ovat moninaiset.
Kosteuden sitoutumis- ja siirtymismekanistit riippuvat suuresti rakenteen lämpötilakentästä ja siitä syystä lämpötilaan ja kosteuteen liittyviä ilmiöitä tulee tarkastella yhdessä. Perinteisesti huomioidun pystysuuntaisen kapillaarisen nousun lisäksi on tarkasteltava myös vaakasuuntaisia kapillaarisia liikkeitä sekä veden kulkeutumista vesihöyrynä huokoisissa materiaaleissa. Salaojituskerros voi toimia moitteetta veden kapillaarisen nousun katkaisevana kerroksena, mutta ei estä vesihöyryn diffuusiovirtaa lämmenneestä maapohjasta kohti kuivempia sisätiloja. Veden kulkeutumismekanismeja ja kosteuslähteitä on maaperässä riittävästi pitämään maapohjan huokosilman suhteellisen kosteuden lähellä RH = 100 %.
Tutkimussarjan aiemmassa osassa on määritelty laboratorio-olosuhteissa karkearakeisten maalajien käyttäytymistä materiaaleina tasapainokosteuskäyrien, kapillaarisuuden ja maamassan lämpötasapainon kannalta. Tässä tutkimusosassa tarkasteltiin alapohjarakenteen toimintaa kokonaisuutena ottaen huomioon muuttuvat ympäristöolosuhteet, rakennusaikainen rakennuskosteus ja lattiassa käytettyjen rakennekerrosten, lähinnä pinnoitemateriaalien vaikutukset rakenne poikkileikkauksen kosteustasapainoon. Alapohjarakenteiden lämpö- ja kosteusteknistä toimintaa tutkittiin teoreettisin laskelmin, kosteusvaurioraporttien pohjalta tehdyillä vauriokartoituksilla sekä pitkäaikaisilla koekohteissa suoritetuilla seurantamittauksilla.
2 MAANVASTAISTEN ALAPOHJARAKENTEIDEN LÄMPÖ- JA KOSTEUSOLOSUHTEET
Rakennusten maanvastaisten alapohjien, kuten muidenkin rakennusvaipan osien, kosteuslähteet liittyvät sen rajapintojen (ulko- ja sisäilma) olosuhteisiin ja niiden muutoksiin sekä rakenteiden sisäisiin kosteus- ja lämpötilaoloihin. Muutoksia näihin lämpö- ja kosteusolosuhteisiin aiheuttavat vuodenaikojen ja sään vaihtelut, tilojen ilmanvaihtomäärien ja lämpötilojen vuorokautiset ja vuosittaiset muutokset sekä rakenteisiin rakennusvaiheessa sitoutuneen kosteuden kuivuminen. Muista rakennusvaipan osista poiketen alapohjarakenteet ovat joko osittain tai kokonaan kosketuksissa luonnontilaisen kostean maan tai erillisen rakennetun maa- aineskerroksen, kuten salaojituskerroksen, kanssa. Tästä johtuen maanvastaisten alapohjarakenteiden ulkoiset kosteusrasitukset poikkeavat huomattavasti maanpinnan yläpuolisten rakennusvaipan osien rasituksista.
2.1 Ulkoiset kosteus- ja lämpötilarasitukset
Alapohjien ulkoiset kosteusrasitukset ovat sidoksissa ulkoilman, sisäilman sekä maan lämpötiloihin ja kosteuksiin.
2.1.1 Ulkoilman lämpötila ja kosteus
Ulkoilman olosuhteet, etenkin lämpötila vaikuttaa maanvaraisen alapohjan olosuhteisiin varsinkin rakennuksen reuna-alueella. Ulkoilman kosteus vaikuttaa välillisesti maanvaraisen alapohjan olosuhteisiin sisäilman kosteuden kautta. Ulkoilman lämpötilan ja suhteellisen kosteuden osalta keskimääräisiä tietoja eräillä suomalaisilla paikkakunnilla ajanjaksolta 1961 – 1990 on esitetty taulukossa 2.1 /35/. Taulukosta voidaan todeta, että korkein keskilämpötila on heinäkuussa, ero maan pohjoisen ja etelän (Sodankylän ja Helsingin) maksimi lämpötilassa on noin 3 ˚C. Vastaavasti alin keskilämpötila on tammikuussa, jolloin Helsingin ja Sodankylän välinen lämpötilaero ja 10 ˚C. Huomattavaa on, että ulkoilman suhteellinen kosteus, RH ei vaihtele paljoakaan vuodenaikojen mukaan, sitä vastoin ilman vesihöyrypitoisuus vaihtelee suurestikin.
Ulkoilman kosteus on suurin kesällä heinä-elokuussa, heinäkuussa ilman vesihöyrypitoisuus on yli 2 g/m3 enemmän kuin muulloin.
2.1.2 Sisäilman lämpötila ja kosteus
Sisäilman lämpötilaan ja kosteuteen vaikuttavat mm. rakennuksen käyttötarkoitus, rakennuksen tiiviys, lämmöneristys ja ilmanvaihto. Sisäilman tekniset tavoitearvot lämpötilan osalta on esitetty taulukossa 2.2 /32/. Lämpöolojen tavoitearvoja käytetään sisäilmaston tavoitetason määrittelyssä rakennushankkeen suunnittelussa. Tavoitearvot koskevat huonetilan oleskeluvyöhykettä. Oleskeluvyöhyke alkaa yleensä lattiasta ja ulottuu 1.8 metrin korkeuteen sekä 0.6 metrin päähän seinistä.
Taulukko 2.1 Ulkoilman keskimääräinen kuukausittainen lämpötila ja kosteus ajanjaksolla 1961 – 1990 /35/.
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Helsinki T [oC]
RH [%]
p [Pa]
υ [g/m3] -5.7
85 331 2,68
-5.7 84 327 2.65
-2.1 82 426 3.41
3.1 75 576 4.52
9.7 67 811 6.21
15.0 68 1161
8.74
17.0 73 1415
10.6 15.7
78 1393 10.46
11.1 82 1088
8.30 6.4
83 803 6.23
1.4 86 583 4.61
-2.9 86 420 3.37
Turku
T [oC]
RH [%]
p [Pa]
υ [g/m3
-6.0 89 337 2.74
-6.2 87 324 2.64
-2.6 82 410 3.29
3.0 75 572 4.49
9.8 66 804 6.16
14.9 64 1086
8.18
16.5 71 1334
9.99 15.2
76 1315
9.89
10.3 83 1045
8.00 5.7
86 793 6.17
0.6 89 569 4.51
-3.6 90 416 3.34
Lahti
T [oC]
RH [%]
p [Pa]
υ [g/m3] -8.4
87 268 2.20
-8.2 85 267 2.18
-3.6 81 374 3.01
2.6 75 555 4.37
9.8 67 816 6.25
14.7 67 1123
8.46
16.3 73 1355 10.15
14.5 80 1324
9.98 9.3
86 1013
7.78 4.5
87 738 5.76
-0.7 90 522 4.15
-5.5 89 352 2.85
Jyväskylä
T [oC]
RH [%]
p [Pa]
υ [g/m3] -10.0
88 234 1.94
-9.5 87 243 2.00
-4.7 81 342 2.76
1.3 73 491 3.88
8.7 65 735 5.66
14.1 65 1048
7.91
16.3 73 1355 10.15
14.5 80 1324
9.98 9.3 86 1013
7.78 4.5
87 738 5.76
-0.7 90 522 4.15
-5.5 89 352 2.85
Vaasa
T [oC]
RH [%]
p [Pa]
υ [g/m3] -7.8
88 286 2.34
-7.8 87 283 2.31
-3.9 84 379 3.05
1.7 77 534 4.21
8.3 69 760 5.85
13.7 67 1053
7.96
15.7 73 1304
9.79 13.9
79 1258
9.50 9.2
84 983 7.55
4.6 87 743 5.80
-0.9 90 513 4.09
-5.5 89 352 2.85
Lappeenranta
T [oC]
RH [%]
p [Pa]
υ [g/m3] -9.4
88 248 2.04
-8.8 87 259 2.12
-3.8 82 373 3.00
2.3 73 529 4.16
9.8 64 780 5.97
14.8 65 1096
8.26
16.7 70 1332
9.97 14.8
77 1299
9.79 9.5
84 1003
7.69 4.2
87 722 5.64
-1.2 91 507 4.05
-6.2 90 336 2.73
Oulu
T [oC]
RH [%]
p [Pa]
υ [g/m3] -11.1
86 206 1.71
-10.4 85 218 1.81
-5.8 82 316 2.57
0.5 74 470 3.72
7.5 67 699 5.40
13.5 65 1009
7.63
16.0 70 1274
9.56 13.7
77 1210
9.15 8.4 82 909 7.00
3.0 85 648 5.08
-3.1 88 423 3.40
-8.2 88 276 2.26
Joensuu
T [oC]
RH [%]
p [Pa]
υ [g/m3] -11.6
87 200 1.65
-10.7 85 212 1.76
-5.4 82 327 2.65
0.7 73 470 3.72
8.3 64 705 5.43
14.2 65 1055
7.96
16.4 70 1307
9.76 14.0
78 1250
9.44 8.6 84 944 7.27
3.2 86 665 5.22
-2.7 90 447 3.58
-8.2 89 279 2.29
Sodankylä T [oC]
RH [%]
p [Pa]
υ [g/m3] -15.1
85 138 1.16
-13.6 84 158 1.33
-8.5 80 244 2.00
-2.1 72 374 3.00
5.0 66 579 4.51
11.6 65 892 6.79
14.1 69 1113
8.40 11.2
77 1029
7.85 5.9 84 785 6.10
-0.2 87 524 4.16
-7.4 89 299 2.45
-13.1 86 170 1.42
Taulukossa 2.2 tavoitearvot on jaettu sisäilmastoluokkien mukaisesti kolmeen osaan.
S1: Yksilöllinen sisäilmasto
- Tilan sisäilman laatu on erittäin hyvä ja lämpöolot ovat viihtyisät kesällä ja talvella. Tilan käyttäjä pystyy yksilöllisesti hallitsemaan lämpöoloja ja tarvittaessa parantamaan sisäilman laatua tehostamalla ilmanvaihtoa. Lämpöolot ja ilman laatu täyttävät pääsääntöisesti myös loppukäyttäjien erityisvaatimukset, esim. vanhusväestöä, allergikot, hengityselinsairaat.
S2: Hyvä sisäilmasto
- Tilan sisäilman laatu on hyvä ja lämpöolot vedottomat. Kesän kuumimpina päivinä lämpötila nousee viihtyisän tason yläpuolelle.
S3: Tyydyttävä sisäilmasto
- Tilan sisäilman laatu ja lämpöolot täyttävät säännösten tarkoittamat vähimmäisvaatimukset. Ilma saattaa ajoittain tuntua tunkkaiselta ja vedon tunnetta saattaa esiintyä. Ylilämpeneminen on yleistä kuumina kesäpäivinä.
Taulukko 2.2 Lämpöolojen tavoitearvot
Yksikkö Sisäilmastoluokka Enimmäisarvot
S1 S2 S3 Huonelämpötila * Talvi oC
Kesä ***
Huonelämpötilan tilapäinen poikkeama oC Asetusarvosta **
Lämpötilaero pystysuunnassa oC Lattian pintalämpötila oC Ilman nopeus Talvi (20oC) m/s Talvi (21oC) m/s Ilman nopeus Kesä (24oC) m/s Ilman suhteellinen kosteus Talvi %
(21-22)* 20-22 20-23 (23-24)* 23-26 22-27 (35)
± 0.5 ± 1 ± 2 2 3 4 19-29 19-29 17-31 0.13 0.16 0.19 0.14 0.17 0.20 0.20 0.25 0.30 25 – 45 - -
* S1 –luokassa huonelämpötilan on oltava tila/huoneistokohtaisesti aseteltavissa välillä 20 – 24 oC, jos samassa huoneessa on useita henkilöitä, käytetään huonelämpötilan perustasona talvella 21 – 22 oC ja kesällä 23 – 24 oC.
** Lämpötilan asetusarvon tulee olla kohdassa ”huonelämpötila” mainituissa rajoissa
*** Huonelämpötila ei saa missään ulkoilmaolosuhteissa olla yli +35°C. Kun ulkoilman lämpötila on alle + 15°C, huonelämpötila ei saa olla yli +27°C.
Sisäilman kosteuteen vaikuttavat mm. ulkoilman kosteuspitoisuus, huoneen tai huoneiston käyttötarkoitus, sisällä kehitetyn kosteuden määrä, ilmanvaihdon suuruus, rakennusaineiden kyky sitoa ja luovuttaa kosteutta, rakenteiden kautta poistuva kosteusvirta sekä rakenteiden kuivuessa vapautuva kosteus. Sisäilman vesihöyrypitoisuus voidaan esittää seuraavasti:
V n
G
u
s =υ + ⋅
υ (2.1)
υs = sisäilman vesihöyrypitoisuus [g/m3]
υu = ulkoilman vesihöyrypitoisuus [g/m3] G = kosteuden tuotto sisällä [g/h]
n = ilman vaihtuvuus aikayksikössä [1/h]
V = tarkasteltavan tilan tilavuus [m3].
Rakennukset voidaan jakaa sisäilmaan tapahtuvan kosteuden tuoton perusteella esimerkiksi seuraavasti:
- tavalliset asuintilat, kosteuslisä ulkoilmaan verrattuna käyttötavan mukaan 3 – 4 g/m3 h - toimisto- ja muut julkiset tilat 2 – 3 g/m3 h
- teollisuudessa kosteuslisä voi olla yli 6 g/m3 h.
2.1.3 Maan lämpötila ja kosteus
Pintaveden pääasiallinen lähde on sade, jonka vuotuinen sademäärä Suomessa on keskimäärin 600 mm eli 0.6 m3/m2. Osa maakerrosten läpi painovoimaisesti huuhtoutuvista sade- ja pintavesistä jää maakerroksiin adsorption ja kapillaarivoimien vaikutuksesta samalla, kun kapillaarivoimat siirtävät vettä usein pitkiäkin matkoja vapaan veden lähteistä, kuten pohja- tai orsivesivarastojen pinnasta ympäristöön.
Kuukausittaiset keskimääräiset sademäärät ajanjaksolta 1961–1990 Jyväskylän, Sodankylän ja Helsingin olosuhteissa on esitetty kuvassa 2.1. /37/.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
tammi helmi maalis huhti touko kesä heinä elo syys loka marras joulu
Sademäärä [mm]
Jyväskylä Helsinki Sodankylä
Kuva 2.1 Kuukausittaiset keskimääräiset sademäärät ajanjaksolta 1961-1990 Jyväskylän, Sodankylän ja Helsingin olosuhteissa /37/
Alapohjan lähelle kulkeutuvan pintaveden määrään vaikuttavat sademäärän lisäksi maaston muodot, rakennuksen sijainti maastossa, kasvillisuus ja maan pintamateriaalit.
Noin 30 % sadannasta virtaa pintavetenä laskuojiin, jokiin, järviin tai mereen ja suurin
osa, noin 50 %, haihtuu takaisin ilmaan suoraan maan pinnalta. Vain osa vapaasta pintavedestä, noin 20 %, painuu syvemmälle maakerroksiin vajo- eli gravitaatiovetenä.
Gravitaatiovesi voi liikkua maassa vapaasti painovoiman vaikutuksesta. Osa vajovedestä haihtuu syvemmältä huokosista ennen pohjaveden pinnan saavuttamista ja osa kulkeutuu salaojituskerroksen ja salaojien mukana pois alapohjarakenteen mikrokierron piiristä. Vajovesivyöhykkeellä oleva sitoutumaton vesi on vajoamassa alaspäin, mutta vettä voi myös esiintyä höyrynä, kapillaarivetenä ja adsorptiovetenä.
Pohjavesi, sen määrä ja pinnan korkeusasema määräytyvät pohjavesialtaaseen tulevan ja siitä poistuvan veden määrien erotuksena. Pohjaveden poistuma on jatkuvaa veden painovoimaista virtaamista pohjaveden pinnan alapuolisista purkautumiskohdista avovesistöihin tai suoalueille. Pohjavesialtaaseen tulevan veden määrä sen sijaan on riippuvainen sademäärästä ja edelleen pohjaveden saavuttavan vajoveden määrästä.
Pohjaveden muodostumisen ja purkautumisen eriaikaisuudesta johtuen pohjaveden korkeus vaihtelee vuodenaikojen, sääolosuhteiden ja maaperän laadun mukaan.
Alimmillaan pohjavesi on talven päättyessä, kun routa on kuukausien ajan estänyt veden imeytymisen pohjavedeksi. Korkeimmillaan pohjavesi on heti roudan sulamisen jälkeen. Pohjavesivyöhykkeellä maan huokostila on kokonaan vedellä kyllästynyt.
Vedellä kyllästynyttä maata voi olla myös pohjaveden pinnan yläpuolella kapillaarivyöhykkeessä, jonka huokostilassa on pohjavedestä kapillaarivoimien vaikutuksesta noussutta vettä. Vapaan veden lähteestä, esimerkiksi pohja- tai orsiveden pinnasta, vesi pyrkii huokoisessa materiaalissa siirtymään toisiinsa kytkettyjen huokosten muodostamassa putkistoverkossa kapillaarivoimien vaikutuksesta, joiden suuruus riippuu veden ja aineen ominaisuuksista sekä kosteuspitoisuudesta.
Kapillaarista siirtymistä vastustavat viskositeetti ja painovoima. Pohjaveden pinnasta nousevan kapillaariveden kohoaminen jatkuu tasoon, jossa nousun aiheuttavat kapillaarivoimat ja sitä vastustava painovoima ovat tasapainossa. Kapillaaristen voimien maan huokossysteemiin sitomaa vettä kutsutaan kapillaarivedeksi ja sen nousukorkeutta vapaan veden pinnasta kapillaariseksi nousukorkeudeksi (vrt. 3.1.2).
2.2 Sisäiset kosteus- ja lämpötilarasitukset Rakennuskosteus
Eräs merkittävimmistä alapohjarakenteiden kosteuslähteistä lyhyellä aikavälillä rakentamisen jälkeen on paikalla valettujen betonirakenteiden rakennuskosteus.
Tavalliset rakennebetonit sisältävät paljon seosvettä, minkä vuoksi näistä betoneista valettujen rakenteiden kuivumisaika on nykyisiä rakentamisaikatauluja ajatellen melko pitkä. Betonin kuivumiseen on kiinnitettävä erityistä huomiota niissä rakenteissa, joissa kuivuminen pääsee tapahtumaan pääasiassa vain yhteen suuntaan, kuten liittolaatat ja maanvaraiset laatat.
Betonin suhteellisella kosteudella tarkoitetaan betonin huokosten ilmatilan suhteellista kosteutta. Huokoisena materiaalina betoni pyrkii tasapainokosteuteen ympäröivän ilman kanssa. Tasapainokosteus riippuu betonin ominaisuuksista, kuten vesisementtisuhteesta, huokosrakenteesta, hydrataatioasteesta ja iästä, sekä vallitsevasta lämpötilasta.
Normaalin lattiabetonin vesisementtisuhde on 0.7…0.9. Tällainen betoni sisältää massan valmistusvaiheessa vettä noin 180…200 l/m3. Betonin suhteellinen kosteuspitoisuus on tällöin RH = 100 %. Rakenteesta laatan kuivuessa poistuvan veden määrä vaihtelee riippuen siitä, miten alkuperäinen vesimäärä sitoutuu eri
betonilaatuihin. Osa vedestä sitoutuu kemiallisesti sementin hydratoituessa. Osa vedestä sitoutuu fysikaalisesti adsorptiolla ja kapillaarisesti betonin huokosrakenteeseen.
Fysikaalisesti sitoutuvan veden määrä riippuu ympäristön lämpö- ja kosteusolosuhteista.
Loput alkuperäisestä seosvedestä on rakennuskosteutta, jonka pitää haihtua betonista, ennen kuin rakenne saavuttaa tasapainokosteuden ympäristönsä kanssa. Tämä haihtuva vesimäärä voi olla jopa kymmeniä litroja yhdessä kuutiometrissä betonia. Kuvassa 2.2 on esitetty kolmen eri lujuusluokan betonilaadun teoreettiset kosteusjakaumat 90 % suhteellisessa kosteudessa, kun alkuperäinen seosvesimäärä on 180 l/m3 /21/.
Taulukossa 2.3 on esitetty jälkihoidon, rakennepaksuuden ja kuivumisolosuhteiden vaikutus erilaatuisten betonien kuivumisaikoihin.
45 101
34
57 108
15
79 101
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Kosteusmäärä [l/m3 ]
K25 K40 K70
haihdutettava kosteus, jotta RH 90%
tasapainokosteuspitoisuus 90
% RH:ssa
kemiallisesti sitoutunut vesi
Kuva 2.2 Kosteuden jakautuminen teoreettisesti 90 % suhteellisessa kosteudessa eri lujuusluokan betoneissa, kun alkuperäinen vesimäärä on 180 l/m3.
Taulukko 2.3 Jälkihoidon, rakennepaksuuden ja kuivumisolosuhteiden vaikutus erilaatuisten juuri valettujen betonien kuivumiseen.
Muuttuja Betoni 1
vss 0.7 Betoni 2
vss 0.6 Betoni 3 vss 0.5 Jälkihoito:
1 vrk muotissa 14 vrk vedessä 28 vrk muovikalvo 14 vrk vedessä+
14 vrk muovikalvo 28 vrk vedessä
0,7 × 1,0 × 0,8 × 1,0 × 1,3 ×
0,5 × 0,9 × 0,7 × 1,0 × 1,3 ×
0,5 × 0,8 × 0,5 × 1,0 × 1,0 × Rakennepaksuus:
10 cm 15 cm 18 cm 20 cm 25 cm
0,4 × 0,7 × 1,0 × 1,2 × 1,8 ×
0,4 × 0,8 × 1,0 × 1,1 × 1,5 ×
0,4 × 0,8 × 1,0 × 1,1 × 1,4 × Kuivumisilmasto:
RH=35%
RH=60%
T=18oC T=30oC
0,8 – 0,9 × 1,0 × 1,0 × 0,6 – 0,7 ×
0,8 – 0,9 × 1,0 × 1,0 × 0,6 – 0,7 ×
0,8 – 0,9 × 1,0 × 1,0 × 0,6 – 0,7 ×
3 HUOKOISEN MATERIAALIN LÄMPÖ- JA KOSTEUSTASAPAINO 3.1 Veden sitoutuminen
Alapohjarakenteen eri rakennemateriaalit, mukaan lukien maa ovat fysikaalisesti huokoisia materiaaleja, johon kosteus voi sitoutua:
• Hygroskooppisesti
• Kapillaarisesti
• Kemiallisesti
• Osmoottisesti
3.1.1 Hygroskooppinen sitoutuminen
Huokoinen materiaali voi ottaa kosteutta suoraan ilmasta. Sitoutuvan veden määrä riippuu materiaalista. Hygroskooppinen kosteuden sitoutuminen aiheutuu aineen huokosissa vaikuttavista vetovoimista, jotka vetävät ilman vesimolekyylejä huokosten pintaan ohueksi vesikerrokseksi /22/. Ilman kosteuden lisääntyessä molekyylikerroksen paksuus kasvaa ja vastaavasti ilman kosteuden vähentyessä molekyylikerros ohenee.
Vesimolekyylit sitoutuvat aineeseen joko adsorptiolla tai kapillaarikondenssilla /1/.
Pienillä suhteellisen kosteuden arvoilla adsorptio on hallitseva ja suurilla suhteellisen kosteuden arvoilla kapillaarikondenssi on hallitseva.
Hygroskooppinen tasapainokosteus
Aine saavuttaa tasapainon, tietyn vesipitoisuuden (w) ympäristönsä kanssa. Tasapaino riippuu lämpötilasta ja suhteellisesta kosteudesta. Aineen tiettyä lämpötilaa vastaava tasapainokosteuskäyrä (kuva 3.1), sorptiokäyrä voidaan määrittää muuttamalla ympäristön suhteellista kosteutta ja pitämällä lämpötila vakiona. Lähdettäessä kuivasta materiaalista saadaan kastumisen tasapainokäyrä, absorptiokäyrä ja vastaavasti lähdettäessä kyllästetystä materiaalista saadaan kuivumisen tasapainokäyrä, desorptiokäyrä. Tasapainokosteuskäyrässä absorptiolla ymmärretään yleensä sekä adsorptiota ja kapillaarikondenssia. Eri aineilla hygroskooppinen kosteus vaihtelee huomattavasti (esim. puu n. 150 kg/m3 ja tiili n. 30 kg/m3).
Tasapainokosteuskäyrästä (kuva 3.1) voidaan erottaa kolme vaihetta veden sitoutumismekanismin perusteella. Ensimmäisessä vaiheessa alhaisella suhteellisella kosteudella yksittäiset vesimolekyylit sitoutuvat aineen pinnalle vetovoimien vaikutuksesta (käyrä jyrkkä). Seuraavassa vaiheessa vesimolekyyliryhmien adsorptio on hallitseva. Kolmannessa vaiheessa suhteellinen kosteus on niin suuri, että meniskien muodostuminen laajemmassa määrin on mahdollista ja veden sitoutuminen tapahtuu pääasiassa kapillaarikondenssilla (jyrkkä käyrä).
(kg/m )3
0 50 (%)
Aineen kosteuspitoisuus
Desorptio
Absorptio Suhteellinen kosteus 100
Kuva 3.1 Tasapainokosteuskäyrä.
Kastumisella ja kuivumisella on yleensä erilainen tasapainokosteuskäyrä, tätä ilmiötä kutsutaan hystereesiksi. Sen syitä ei tunneta tarkoin, mutta sen arvellaan osittain johtuvan:
• Kostuvan aineen huokosiin jää ilmaa, joiden poistuminen veteen liukenemalla on hidasta.
• Aineen huokosten muodot ovat sellaisia, että kuivuminen tapahtuu kostumista merkittävästi pienemmässä ilman kosteudessa.
• Tasapainokosteuksien mittauksissa käytetään liian lyhyitä tasaantumisaikoja.
Tasapainokosteuskäyrän tangentti määrittelee materiaalin kosteuskapasiteetin (ξ).
Aineen kosteuskapasiteetti on suuri jos pieni suhteellisen kosteuden muutos aikaansaa suuren vesipitoisuuden muutoksen.
Kuten edellä on esitetty materiaalin tasapainokosteuskäyrä riippuu lämpötilasta.
Rakennusaineille määritellyt tasapainokosteuskäyrät on yleensä määritelty +20 °C:ssa.
Fukt handbok:n /22/ mukaan tavallisilla rakennusmateriaaleilla tasapainokosteuskäyrät lämpötila-alueilla +20...+50 °C eivät eroa toisistaan merkittävästi.
3.1.2 Kapillaarinen sitoutuminen
Kapillaarisuus muodostuu molekyylien välisistä vetovoimista eli molekyylien kemiallisista potentiaaleista. Huokoisen materiaalin huokosia voidaan pitää joukkona kapillaariputkia. Maassa kapillaariputkina toimivat rakeiden väliset huokoset.
Maalajeissa huokoskanavien läpimitta tavallisesti kasvaa raekoon kasvaessa.
Kapillaarisuuteen raekoon lisäksi vaikuttavat myös maalajien kerrostuminen, tiiviysaste ja lämpötila. Jos kaikkien materiaalin sisältämien kapillaarihuokosten säde on vakio r, kapillaarinen nousukorkeus h on vakio riippumatta vallitsevasta kosteuspitoisuudesta.
Todellisissa materiaaleissa kapillaariputkien säde ja eri putkien kytkeytyminen toisiinsa vaihtelee huomattavasti. Avoimessa rakenteessa, jossa kaikki huokoset ovat vapaasti kosketuksissa vesilähteen eli vapaan veden pinnan kanssa kaikki tietyn säteen omaavat ja sitä pienemmät kapillaariputket ovat täynnä nestettä tietylle putken säteestä riippuvalle korkeudelle saakka.
Kapillaarinen tasapainokosteus
Kapillaariseksi tasapainokosteudeksi kutsutaan sitä kosteutta, jonka huokoinen materiaali saavuttaa ollessaan yhteydessä vapaaseen vedenpintaan. Aineen kapillaarinen tasapainokosteus (w) ilmaistaan tavallisesti kapillaarisen nousukorkeuden tai huokosalipaineen funktiona (kuva 3.2).
Aineen kosteuspitoisuus
Desorptio Absorptio
Kapillaarinen nousukorkeus (m)
Aineen kosteuspitoisuus
Huokosalipaine
Absorptio
Desorptio
Kuva 3.2 Kapillaarisen tasapainokosteuden esittäminen.
Kapillaariseen kastumiskäyrään (kapillaarinen absorptio) liittyy voimakas hystereesi ilmiö. Tämä johtuu monimutkaisen kapillaariverkoston kytkeytymisestä toisiinsa ja kapillaarihuokoskäytävien säteen muutoksista. Alunperin kuivassa näytteessä ei ole yhtenäistä vesikalvoa huokosverkoston seinämien pinnalla, mikä estää kosteuden kulkeutumisen mikrohuokosiin, jotka muutoin olisivat täyttyneet. Kosteuspotentiaali pyrkii tasaantumaan huokosverkoston sisällä, jolloin huokosiin voi jäädä ilmaa. Ilman liukeneminen veteen on sitä hitaampaa mitä suurempi ilmarakkula huokoseen on jäänyt.
Lisäksi kapillaarinen nousukorkeus on suoraan verrannollinen kostumiskulman kosiniin (cosθ), johon voi liittyä voimakas hystereesi ilmiö.
Kapillaarinen kuivumiskäyrä (kapillaarinen desorptio) toteutuu, mikäli alunperin vedellä kyllästyneen materiaalin tai rakenteen annetaan kuivua siten, että sen huokosverkoston alapää on kosketuksissa vesilähteeseen. Yksittäisen kyllästyneen kapillaariputken tapauksessa veden pinta laskee tasolle, joka vastaa huokosalipaineen (pc) ja hydrostaattisen paineen tasapainotilaa. Huokoisessa materiaalissa kapillaarisen kuivumisen yhteydessä ohuisiin huokostiehyisiin pintajännityksen ja muodostuvan huokosalipaineen vaikutuksesta jää nestettä. Huokoset, jotka pidättävät tätä ns. jäännös- eli residuaalikosteutta eivät osallistu nesteen kuljettamiseen. Kapillaarivoimien lisäksi myös muut voimat pidättävät vettä yhtenäisten vallien ja seinämien läheisyydessä, kuten osmoosi ja adsorptio. Kapillaaristen voimien ja adsorption välillä on oleellinen ero.
Adsorptio tapahtuu kaasun ja kiinteän aineen välillä, kun taas kapillaariset voimat liittyvät nesteen ja kiinteän aineen väliseen sidokseen. Maamekaniikassa kaikki nämä voimat käsitellään kuitenkin yleensä samana ilmiönä. Yhtenäisen vesivaipan katkettua huokosten seinämien kuivuessa mikrohuokosiin jäänyt jäännöskosteus voi poistua vain haihtumalla.
Kuvan 3.2 mukaisesti kapillaarisen absorption ja desorption käyrät poikkeavat selvästi toisistaan. Kapillaarista nousua säätelevät suuret huokoset, jolloin kosteuden nousua
rajoittaa suurimman kapillaarihuokosen huokosen säde r, kun taas kuivumista säätelevät pienet mikrohuokoset ja niihin jäävä jäännöskosteus. Kostumis- ja kuivumiskäyrien eroon liittyen olisi syytä tutkia erilaisia välitiloja, joissa osittain kostea näyte jätetään kuivumaan tai kapillaarisen nousun annetaan tapahtua osittain kosteaan näytteeseen.
3.1.3 Kemiallinen ja osmoottinen sitoutuminen
Kemiallisesti sitoutunut vesi on joko ioni- tai molekyylisidoksella sitoutunutta.
Sidosenergia on hyvin suuri muihin sidosmuotoihin verrattuna, kuten esimerkiksi kidevedellä. Kemiallisesti sitoutunut vesi katsotaan olevan osa materiaalia eikä sitä oteta yleensä huomioon kosteusteknisissä tarkasteluissa.
Osmoottinen sidos johtuu diffuusiosta puoliläpäisevän kalvon läpi ja tästä syntyvästä ns.
osmoottisesta paineesta. Tämä kosteuden sitoutumismuoto esiintyy yleisesti eloperäisissä aineissa, joiden solukalvo on puoliläpäisevä ja aineissa on vesiliukoisia komponentteja.
3.2 Veden siirtymismuotoja eri faaseissa 3.2.1 Diffuusio
Diffuusiossa höyrystyneet vesimolekyylit siirtyvät korkeammasta konsentraatiosta alhaisempaan. Diffuusiossa potentiaalina on siis vesihöyrypitoisuuksien ero, joka voidaan ilmoittaa joko kosteuserona tai osapaine-erona.
Mikäli huokoset eivät sisällä vettä ja niiden koko on suurempi kuin vesimolekyylin keskimääräinen vapaa matka, voidaan vesihöyryn massavirta pinta-alaa kohti laskea kaavasta (3.1) (Fick’n ensimmäisen lain sovellus) /22/:
dx
g =−δp dp (3.1)
Kaavassa 3.5 potentiaalina on osapaine-ero. Mikäli potentiaalina käytetään kosteuseroa, kaava tulee muotoon (3.2) /22/:
dx
g =−δv dv (3.2)
Vesihöyryn läpäisevyysarvojen δv ja δp välillä vallitsee yhteys (3.3) /22/:
δv = 461,4 (273 + t) δp (3.3)
Stationääritilasssa (kosteusvirta ei ole ajasta riippuva) kosteusvirran g kaava (3.4) yksinkertaistuu muotoon (Kaava 3.4):
v
v L
v v L
v g v
δ δ 2 − 1 = 2 − 1
= (3.4)
jossa v2 ja v1 ovat kosteuspitoisuudet rakenteen eri puolilla.
Termiä L/δv = Zv nimitetään vesihöyrynvastukseksi.
Epästationääritilassa (kosteusvirta on ajasta riippuva) kosteusvirran kaava (3.1) voidaan esittää muodossa (kaava 3.5) /22/:
dx D dw
g=− w (3.5
missä Dw on kosteusdiffusiteetti, joka voidaan laskea kaavasta (3.6) tai (3.7) /22/:
dw
Dw =δv dv (3.6)
ξ δ v (T)
Dw = v s , (3.7)
missä ξ on kosteuskapasiteetti, (dw/dx)
Epästationääritilan kosteusvirran kaava ratkaistaan yleensä käyttäen numeerisia menetelmiä.
Lähteen /15/ mukaan yleisesti oletetaan, että maassa kosteuden liike nesteenä on vallitseva ja siksi vesihöyryn diffuusion vaikutukset maassa jätetään usein huomioonottamatta.
3.2.2 Kapillaarinen kosteuden siirtyminen
Vapaan veden lähteestä, esimerkiksi pohja- tai orsiveden pinnasta, vesi pyrkii huokoisessa materiaalissa siirtymään toisiinsa kytkettyjen huokosten muodostamassa putkistoverkossa kapillaarivoimien vaikutuksesta, joiden suuruus riippuu veden ja aineen ominaisuuksista sekä kosteuspitoisuudesta. Kapillaarista siirtymistä vastustavat kitkavoimat ja painovoima. Pohjaveden pinnasta nousevan kapillaariveden kohoaminen jatkuu tasoon, jossa kohonneeseen vesimassaan kohdistuvat kapillaarivoimat ovat tasapainossa. Kapillaaristen voimien maan huokossysteemiin sitomaa vettä kutsutaan kapillaarivedeksi ja sen nousukorkeutta vapaan veden pinnasta kapillaariseksi nousukorkeudeksi.
Kapillaarista siirtymistä voidaan myös kuvata Darcyn lailla, jossa potentiaalina on huokosalipaine, pc. Darcyn lain mukaan kosteuden siirtyessä nesteenä kosteusvirta on (3.8) /22/:
dx dp
g k c
=η [kg/m2 s], (3.8)
missä η on viskositeetti ja k permeabiliteetti (kg/m). Huokosalipaine pc on kapillaaripaineen pcap vastaluku (Pc= - P cap).
Permeabiliteetti riippuu huokosalipaineesta pc, joka edelleen riippuu kosteuspitoisuudesta w. Siten kaava (3.8) voidaan kirjoittaa muodossa, jossa potentiaalina on kosteuspitoisuus ja kaava saa saman muodon kuin diffuusiotapauksessa kaava (3.1).
Kapillaarista kosteuden siirtymistä voidaan arvioida olettamalla kostuva alue täysin kyllästyneeksi liikkuvaksi rajapinnaksi, jolloin märän rintaman etenemänopeus aineessa on (3.9):
(3.9) t
B x= ⋅
missä x [m] on rintaman tunkeutumissyvyys ja B [m/√s] kokeellisesti määritetty tunkeutumiskerroin. Kertoimen B arvo riippuu faasirajan meniskin muodosta, pintajännityksestä, kosketuskulmasta ja nesteen viskositeetista. Koska faasirajan muoto on riippuvainen vesipitoisuudesta, tunkeutumiskerroin on myös materiaalin vesipitoisuuden funktio.
Olettamalla kapillaarinen nousu täysin kyllästyneen rintaman etenemäksi maamassassa, absorboituneen veden kokonaismäärä W [kg/m2] voidaan antaa kaavalla:
(3.10) t
A W = ⋅
EDC
CAP dv
dv dv
missä imeytymiskerroin A [kg/(m2√s)] on myös kokeellisesti määritettävä kerroin.
3.2.3 Yhtäaikainen diffuusio ja kapillaarinen liike
Yhtäaikainen diffuusio ja kapillaarinen liike voidaan laskea periaatteessa yhdistämällä kosteusvirtojen yhtälöt. Teoreettisissa tarkasteluissa ja laskelmissa vesipitoisuuden muutosgradientti dv huokoisessa materiaalissa voidaan jakaa kahteen osaan:
kapillaarisista voimista johtuvaan kosteuden lisääntymiseen δCAP ja haihtumis-, diffuusio ja kondensaatiokierrosta johtuvaan kosteuspitoisuuden kasvuun eli hygroskooppiseen kosteuden lisääntymiseen δEDC (evaporation – diffusion – condensation) /24, 25/
(3.11) +
=
H k v= ⋅∆
Nämä kaksi kosteuspitoisuuden kasvugradienttia johtuvat eri mekanismeista, joten ne voidaan määrittää erikseen niin numeerisessa mallinnuksessa kuin koetilanteessakin.
Alueella, jossa kosteus on kriittistä kosteutta alempi otetaan huomioon vain diffuusio ja vastaavasti alueella, jossa kosteus on kriittistä kosteutta suurempi otetaan huomioon vain kapillaarinen liike.
3.2.4 Veden painovoimainen siirtyminen
Vedenläpäisevyys kuvaa nesteen virtausta painovoimaisesti tietyssä huokoisessa aineessa. Aineen rae- ja huokoskoostumus sekä rakeiden ja huokosten muoto vaikuttavat vedenläpäisevyyteen. Lisäksi vedenläpäisevyyteen vaikuttavat nesteen ominaisuudet: ominaispaino ja dynaaminen viskositeetti. Veden painovoimaista siirtymistä täysin vedellä kyllästetyssä maassa ja laminaarisen virtauksen alueella kuvaa Darcyn laki (Kaava 3.12) /26/:
, (3.12)
missä v on veden nopeus [m/s], k on vedenläpäisevyys [m/s] ja ∆H on hydraulinen gradientti [m/s].
Maalajien vedenläpäisevyysarvoja on esitetty taulukossa 3.1. /26/
Taulukko 3.1 Vedenläpäisevyyden arvoja.
Maalaji Vedenläpäisevyys k [m/s]
Sora 10-1 ... 10-3
Hiekka 10-2 ... 10-6 Siltti 10-5 ... 10-9
Savi < 10-9
3.2.5 Haihtuminen ja kosteuskonvektio
Materiaalin pinnasta tapahtuva haihtuminen voidaan laskea kaavan 3.13 mukaan.
(
p i)
g=βν −ν (3.13)
i i
ko
ρ c
β = α , (3.14)
G= missä
αko on konvektion lämmönsiirtokerroin ρ i = ilman tiheys = 1,2 kg/m3
c i = ilman ominaislämpö = 1010 J/kg ºC ν p on pinnan vesihöyrypitoisuus
ν i on ilman vesihöyrypitoisuus [g/m3] 2 4 t
ko ≈ ⋅ ∆
α
vR
, missä ∆t on pinnan ja ilman lämpötilaero.
Konvektiossa vesihöyry siirtyy ilmavirran mukana. Ilmavirtausten syntymiseen tarvitaan rakenteen eri puolille erilaiset ilman kokonaispaineet. Ilmanpaine-eroja aiheuttavat mm. tuuli, lämpötilaerot ja ilmanvaihtojärjestelmän puhaltimet. Ilmavirran liikkuessa lämpimästä kylmempään vesihöyry kondensoituu eli tiivistyy. Vastaavasti ilmavirran liikkuessa kylmästä lämpimämpään rakenne kuivuu. Kosteuden konvektiota voi tapahtua raoissa, rei’issä sekä huokoisessa materiaalissa. Reikien ja rakojen kautta tapahtuva kosteuden konvektio on merkityksellinen verrattuna huokoisissa materiaaleissa tapahtuvaan konvektioon. Konvektion kosteusvirta lasketaan kaavasta (3.15) /3/:
(3.15)
missä G on kosteusvirta [kg/s), v kosteuspitoisuus [kg/m3 ] ja R ilmavirta [m3/s].
3.3 Maan ominaislämpökapasiteetti ja lämmönjohtavuus 3.3.1 Maan ominaislämpökapasiteetti
Kaikkien maan perusmineraalien tiheys ρ ≈ 2650 kg/m3 ja ominaislämpökapasiteetti Cp
≈ 755 J/kg K ovat lähellä toisiaan. Veden tiheys on alle puolet mineraalien tiheydestä ρw
= 1000 kg/m3, mutta sen ominaislämpökapasiteetti on yli kaksinkertainen mineraaleihin verrattuna. Koska ilman tiheys on vain noin 1/1000-osa veden tiheydestä, se jätetään
huomioimatta maan ominaislämpöä määritettäessä. Maamateriaalin ominaislämpökapasiteetti on maan eri osatekijöiden tilavuusosilla painotettu summa:
w w s
s C f C
f
C = ⋅ + ⋅
w w m
m C f C f C
f
C + ⋅
(3.16) missä
C = maamateriaalin ominaislämpökapasiteetti fs = maan mineraalien tilavuusosakerroin Cs = maan mineraalien ominaislämpökapasiteetti fw = maassa olevan veden tilavuusosakerroin Cw = veden ominaislämpökapasiteetti.
Luonnontilaisessa maassa kiinteä aine muodostuu mineraalien lisäksi orgaanisesta materiaalista, jolloin kaava (3.16) voidaan esittää muodossa (3.17):
⋅ +
⋅
= 0 0
a w
m f f
f + =1−
(3.17) missä fo on orgaanisen materiaalin tilavuusosakerroin ja Co vastaava ominaislämpökapasiteetti. Taulukossa 3.2 on esitetty maan tyypillisempien mineraalien, veden ja ilman lämpöparametrien arvoja lämpötilassa T = 300 K.
Tilavuusosakerrointen summa kaavassa (3.18) on
(3.18) missä fa = ilman tilavuusosa maan huokosissa. Tyypillisissä mineraalimaalajeissa kiinteän aineen tilavuusosakerroin fm vaihtelee välillä 0.45...0.65 ja maamassan kokonaisominaislämpökapasiteetti kuivan maan arvosta C =1 MJ/m3K täysin kyllästyneen maan arvoon C = 3 MJ/m3K.
Taulukko 3.2 Maan tyypillisempien mineraalien, veden ja ilman lämpöparametrien arvoja lämpötilassa T = 300 K.
Aine Tiheys Ominaislämpökapasiteetti Lämmönjohtavuus Terminen diffuusiokerroin ρ [kg/m3] Cp [J / kg • K] k [W / m • K] α × 10-6 [m2 / s]
Graniitti 2630 775 2.79 1.37 × 10-6 Kvartsiitti 2640 1105 5.38 1.80 × 10-6 Kvartsi 2660 755 8.8 4.38 × 10-6 Orgaaninen
aines ∼1300 ∼ 1923 0.25 0.10 × 10-6 Vesi 1000 4200 0.598 0.15 × 10-6 Jää 920 2065 2.2 1.16 × 10-6 Ilma 1.16 1000 0.025 22.6 × 10-6
3.3.2 Maan lämmönjohtavuus
Maan lämmönjohtavuus λ, toisin kuin sen ominaislämpökapasiteetti, riippuu voimakkaasti maan huokosissa olevasta ilmamäärästä. Ilma on veteen ja etenkin mineraalirakeisiin nähden lämmöneriste, joten korkea ilman tilavuusosakerroin pienentää merkittävästi maan lämmönjohtavuutta. Maan ominaislämpökapasiteetti voi muuttua huokosissa olevan vesimäärän kasvaessa kolmin- tai nelinkertaiseksi, mutta samalla maan lämmönjohtavuus voi kasvaa yli satakertaiseksi. Maan lämmönjohtavuus on myös riippuvainen kiinteän ainesosan rakeiden koosta, muodosta ja jakautumisesta maamassassa.
Maan ominaislämmönjohtavuutta on arvioitu kaavan (3.19) avulla tapauksissa, joissa maassa on edustettuna kaikki kolme osatekijää: mineraalirakeet, vesi ja ilma. Maa voidaan nyt otaksua kontinuumiksi vesimassaksi, johon ilma ja kiinteät partikkelit ovat sekoittuneet.
a a s s w
a a a s s s w w
f f
f
f f
k f
⋅ +
⋅ +
⋅
⋅ +
⋅
⋅ +
= ⋅
κ κ
λ κ
λ κ
λ (3.19)
missä λw, λa ja λs ovat veden, ilman ja kiinteiden partikkelien lämmönjohtavuudet, κs
maan kiinteän aineen tilavuusosan lämpötilagradientin suhde veden lämpötilagradienttiin ja vastaavasti κa ilman lämpötilagradientin suhde veden lämpötilagradienttiin.
Terminen diffuusiokerroin α [m2/s] on massan lämmönjohtavuudesta ja lämpökapasiteetista riippuva kerroin, joka määrittää aineen lämmönjohtokyvyn suhteessa sen kykyyn varastoida energiaa (3.20):
(3.20) cp
= ⋅ ρ α λ
Suuren termisen diffuusiokertoimen omaavat materiaalit reagoivat nopeasti lämpötilanmuutoksiin ympäristössään. Mitä pienempi terminen diffuusiokerroin materiaalilla on, sitä kauemmin kestää tasapainotilan saavuttaminen lämpötilamuutosten yhteydessä.
3.4 Maanvastaisen alapohjarakenteen alapuolisen maan kosteusolosuhteet 3.4.1 Täyttö- ja salaojitusmateriaalien vesipitoisuus
Karkearakeisten täyttö- ja salaojakerrosten vesipitoisuutta kartoitettiin tutkimussarjan ensimmäisessä osassa /20./ laboratoriokokein sekä kapillaarisen että hygroskooppisen tasapainokosteuden selvittämiseksi eri tyyppisissä maalajeissa. Määrittämällä karkeasti eri tavoin maakerroksissa kulkeutuvan ja niihin varastoituvan veden määrät voidaan vauriokohteiden vesipitoisuusmittausten perusteella arvioida kosteusongelmaan johtaneita syitä ja edelleen kohdentaa korjaustoimenpiteet oikein. Lisäksi ’normaalissa’
tilanteessa alapohjarakenteisiin kohdistuvan kosteusrasituksen tunteminen on välttämätön reunaehto rakenteiden toimivalle kosteusmitoitukselle.
Tutkittavina täyttö- ja salaojamateriaaleina olivat kuvan 3.3 rakeisuuskäyrien mukaiset rakeiset maalajit hiekkamoreenista sepeliin. Taulukkoon 3.3 on koottu tutkittujen materiaalien rakeisuusominaisuudet ja huokosluvut.
GEO SAVI SILTTI HIEKKA SORA
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10
%
0.0006 0.002 0.006 0.02 0.074 0.125 0.25 0.5 1 2 4 8 16 32 64
LÄPÄISY %
0.0006 0.002 0.006 0.02 0.074 0.125 0.25 0.5 1 2 4 8 16 32 64
A
C B D
E F
Kuva 3.3 Tutkittujen hiekkojen, sorien ja sepelien rakeisuuskäyrät.
a – 1- luokan salaojasora, b – 2 -luokan salaojasora c – filleri, d – karkea hiekka
e – sepeli, f - hiekkamoreeni
Taulukko 3.3 Tutkittujen hiekkojen, sorien, sepelin ja hiekkamoreenin rakeisuusominaisuudet.
Maalaji < 0.074[%] d10
[mm]
d20
[mm]
d60 [mm] d10/d60 e A – 1 lk
salaojasora
0 1.3 1.5 3.2 0.41 0,38
B – 2 lk salaojasora
1.3 0.6 1.1 2.8 0.39 0,31
C – filleri 5.5 0.08 0.125 0.22 0.57 0,38 D – karkea hiekka 0.3 0.6 0.75 1.6 0.47 0,35
E – sepeli 0.4 4.1 4.6 6.5 0.71 0,43
F –
hiekkamoreeni
15 0.038 0.125 4.0 0.03 0,21
Hygroskooppinen tasapainokosteus
Maan hygroskooppisesti sitoutuvan kosteuden määrä on huomattavasti vähäisempää kuin kapillaarisesti sitoutuvan, perinteisesti maamekaniikassa hygroskooppinen kosteus jätetäänkin yleensä huomioimatta. Maanvastaisen alapohjarakenteen toiminnan kannalta
rakenteen alapuolisen täyttö- ja salaojakerroksen hygroskooppisella kosteudelle on kuitenkin suuri merkitys.
Maalajien hygroskooppista tasapainokosteuskäyttäytymistä on tutkittu vähän. Maa- aineksen tasapainokosteuteen vaikuttaa mm:
• rakeisuus ja ominaispinta-ala
• materiaalien epäpuhtaudet: ruoste, suolat
• mineraalikoostumus, jolla ei merkitystä suomalaisilla maalajeilla.
Tutkituille materiaaleille saatiin kuvan 3.4 mukaiset hygroskooppiset tasapainokosteuskäyrät. Kaikille muille materiaaleille paitsi moreenilla ja karkealla hiekalla hygroskooppinen tasapainokosteus materiaalin kastuessa RH 100%:ssa oli alle 0.5 paino-%. Moreenille hygroskooppinen tasapainokosteus oli suurin, noin 0,8 paino-
%. On huomattava, että kuvan käyrät määrittelevät, kuinka paljon materiaaliin sitoutuu vettä kun kuivan materiaalin annetaan kastua. Märän materiaalin annettua kuivua määritellyt tasapainokosteuden olivat hystereesi-ilmiön vuoksi jonkin verran suurempia.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Suhteellinen kosteus RH (%)
Kosteuspitoisuus (paino-%)
KARKEA HIEKKA MOREENI SORA II SORA I SEPELI FILLERI
Kuva 3.4 Tutkittujen materiaalien tasapainokosteuskäyrät
Lähteessä /31/ on määritelty tasapainokosteuksia täyttösoralle ja silttimoreenille +20
°C:ssa. Lisäksi samojen maalajien kosteus on määritelty -18° C:ssa ja noin 90%:n suhteellisessa kosteudessa. Kokeiden mukaan täyttösoran tasapainokosteus oli noin 0,2 paino-%:a ja silttimoreenin noin 0,5 paino%:a RH 100%:ssa eli 8...10 kg/m3. Liki samansuuruisia tasapainokosteuden arvoja on saatu myös -18° C:ssa ja noin RH 90%:ssa.
Laboratoriokokeiden perusteella voidaan todeta, että tavanomaisilla täyttö- ja salaojitusmateriaaleilla, kuten salaojitussorat, hiekat, moreeni ja murske hygroskooppinen tasapainokosteus materiaalin kastuessa RH = 100% suhteellisessa kosteudessa on alle 2 paino-% materiaalin kuivapainosta. Hienojakoisilla materiaaleilla (hieno hiekka, moreeni) noin 3 paino-%:n kosteuspitoisuuksia voidaan pitää
